心跳包

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什麼是心跳包(心跳機制) 先看一下wiki上的說法: 心跳包(英語:Heartbeat)在電腦科學中指一種周期性的信號,通過硬體或軟體的形式來檢測行為的正常與否,或者與電腦系統是否一致。[1] 通常,機器間會每隔幾秒鐘發送一次心跳包。 如果接收終端沒有在指定時間內(通常是幾個心跳包發送的時間間隔 ...


什麼是心跳包(心跳機制)

先看一下wiki上的說法:

心跳包(英語:Heartbeat)在電腦科學中指一種周期性的信號,通過硬體或軟體的形式來檢測行為的正常與否,或者與電腦系統是否一致。[1] 通常,機器間會每隔幾秒鐘發送一次心跳包。 如果接收終端沒有在指定時間內(通常是幾個心跳包發送的時間間隔內)接收到心跳包,發送終端將會被判定發送失敗。

簡而言之心跳機制是用於檢測對端存活的一種常用方式。

有點類似icu裡面的心跳檢測機(服務端),你的心臟(客戶端)跳一下,他就更新一下狀態,認為你還活著,你要太長時間沒跳,他就認為你已經不行了,然後發出bi 的警告。

在網路中,心跳的作用是,在一種需要對端保持連接的狀態中,並且存在無法通過上一次的請求判斷當前的狀態(雖然心跳也不能保證下一次發送成功,但是現實是,我上一次請求是12h前發的,所以你現在還在不在),心跳包可以單獨檢測對端的存活狀態,從而防止發送無用的數據包,另外在分散式系統中,可以避免將數據發送到不可用的節點上(這是比較麻煩的,我成功地把包發到一個不可用的節點上,它給我反錯誤了,我怎麼辦,發給其它節點嗎,會造成雙花嗎?)

當然心跳機制不會完美地解決上面的這些問題(畢竟我也不能保證這一秒你的心還在跳,下一秒你就一定還活著),在高可用的系統中還是需要設計另外的機制來防止雙花。

另外值得說的一點是:我們不能在網路中發送過多的心跳包,因為在很多時候,網路也是一直有限的資源(心跳雖好,可不要貪杯o),當然也有設計感覺網路情況動態調整的心跳機制,不過那就涉及一些網路底層的東西了。

常見的心跳包

keepalive

說到常見的心跳包,就不得不說tcp keepalive機制了

依然是wiki:

傳輸控制協議(TCP)存活包為可選特性,且預設關閉。[1]存活包內沒有數據。在乙太網網路中,存活包的大小為最小長度的幾幀(64位元組[2])。協議中[3],還有三個與存活包相關的參數:

存活時長(英語:Keepalive time)即空閑時,兩次傳輸存活包的持續時間。TCP存活包時長可手動配置,預設不少於2個小時。

存活間隔(英語:Keepalive interval)即未收到上個存活包時,兩次連續傳輸存活包的時間間隔。

存活重試次數(英語:Keepalive retry)即在判斷遠程主機不可用前的發送存活包次數。當兩個主機透過TCP/IP協議相連時,TCP存活包可用於判斷連接是否可用,並按需中斷。

多數支持TCP協議的主機也同時支持TCP存活包。每個主機按一定周期向其他主機發送TCP包來請求回應。若發送主機未收到特定主機的回應(ACK),則將從發送主機一側中斷連接。 若其他主機在連接關閉後發送TCP存活包,關閉連接的一方將發送RST包來表明舊連接已不可用。其他主機將關閉它一側的連接以新建連接。

空閑的TCP連接通常會每隔45秒或60秒發送一次存活包。在未連續收到三次ACK包時,連接將中斷。此行為因主機而異,如預設情況下的Windows主機將在7200000ms(2小時)後發送首個存活包,隨後再以1000ms的間隔發送5個存活包。若任意存活包未收到回應,連接將被中斷。

keepalive作為最基礎的心跳機制,其設計已經融入tcp協議中了。

  • wireshark keepalive捉包分析

TLS的心跳機制與心臟出血漏洞

TLS心跳原理rfc 6520這裡就之間放rfc的原文了,感興趣的可以去讀讀看。

簡單來講TLS心跳拓展主要解決的是在tls鏈路中,判斷對方存活需要進行一次tls協商(這是比較費時),這個心跳拓展的主要目的是通過一個簡單的心跳過程來保留tls鏈路的存活,在之前是使用tcp的keepalive來做的,但tcp的keepalive只能保證tcp鏈路的可用性。

看完這篇rfc,有兩個比較有意思的點

對於每個心跳包,我們需要給他一個payload,而服務端返回的時候需要原封不動的返回這個payload。這麼做我猜測是外來解決網路超時的問題,防止我受到之前的包

不需要時時刻刻的發送心跳包,感覺rfc的定義,我們只需要在網路空閑的時候發送心跳包,而在鏈路中有請求的情況下則不需要發送請求包。

IM系統中的心跳機制

IM系統(通訊系統)中的心跳機制主要是獲取用戶線上狀態,以及向用戶推送數據用

與前面兩種心跳類似,不過IM系統需要面對一個麻煩的東西 -- NAT(當然TLS的心跳也有考慮NAT的因素)。對於IM系統,本質是是一個C/S架構的系統,而大部分的C都是沒有獨立IP的,與server通訊,全靠NAT分配的臨時IP與埠,而NAT的反配權又不是C端掌控的,實際上是運營商在控制NAT的分配與釋放。同時IM系統中一般C的數量會是S數量的幾千-幾萬倍,維護心跳狀態將會耗費大量的資源,不過值得慶幸的是,IM實際上是一種弱可用的系統,服務端不需要對客戶端的心跳做出反應,也不需要向客戶端發送心跳包,有點類似於UDP,客服端發出去就不管了。當然IM的心跳機制還是頗為複雜的,而他的複雜也不是我想要瞭解的信息,所以這裡只給出一片作者認為還可以的博客

應用層上的心跳包

上面談到的心跳機制基本上都是網路層面的心跳機制,更多的是確認一個鏈路是否還可用。當然我們可以把這個鏈路再抽象一下,比如在一個對等網路中,你連接了某個資料庫的資源,我連接了另一個資料庫的資源,而我們需要保證相互之間 到資料庫的鏈路是連通的。那麼這就不是簡單的tcp keepalive這種模式能解決的問題了。我們沒法在網路傳輸模塊完成整個心跳過程,網路層甚至不知道資料庫是什麼,所以這個請求必須上拋到應用層,而應用層在根據自身情況,去找資料庫拿狀態(這裡有個情況,為什麼不讓資料庫也跳起來,主要是浪費資源,心跳是檢測活性,如果沒有client,實際上也用不到資料庫的活性,對於心跳包中複雜的請求,應該被動的等待需要的時候再去操作,而不是在主動地推送自己的狀態)。

當然這還會有一些問題我們包心跳的邏輯全部放在應用層,是不是對心跳是不很友好,這會導致應用層的邏輯與網路層的邏輯耦合在一起,本來應該網路層做的心跳,可所有的邏輯都在應用層,網路層就像完全沒有心跳這回事。

心跳方案的設計

說這麼多,最後我們還是回到現實,最近我的一開發任務,為我們的分散式系統添加一個心跳檢測機制。

簡單描述一下我們的系統:

一個分散式的系統,每個peer會連接一個或多個資源,一個資源會被多個peer連接,當peer受到請求後會隨即的把請求發送到他知道能處理這個請求的peer中。peer之間使用json_rpc通行(用rpc協議是因為我們這個過程實際上就是一個遠程調用)。

比如我是a,我知道b,c,d能處理 x的請求,我會隨即的把請求發到b,c,d某個peer中(或者發送到第一個peer)。

現在遇到的一個問題是,如果b,c,d中間有人掛機了,a是不知道的,而a還會隨即的把請求發到一個節點裡面。

我現在的設計方案是,在rpc模塊實現心跳的邏輯,包括自動發送心跳包,判斷返回結果是否正常,對於多次心跳異常的節點進行處理,(對方節點死了也要周期性的那,用於複活),也就是心跳的主要邏輯在rpc中實現(網路模塊),它用於控制心跳的評論等等,然後在rpc中抽象出兩個介面,HeartbeatHandler,HeartbeatClient

  • HeartbeatHandler 介面表示心跳服務端處理的介面

  • HeartbeatClient 介面表示心跳客戶端的介面: 客戶端介面只需要提供兩個方法,一個屬如果構造心跳請求的介面,一個屬如何處理心跳結果的介面

在server 啟動時,將一個HeartbeatHandler的介面註冊到server中,在client實例化的時候設置HeartbeatClient 並開啟心跳,而心跳的流程式控制制還在網路模塊中。

在我的這個業務中,HeartbeatHandler介面在收到心跳請求會,回去找當前節點連接的資源獲取狀態,讓後返回資源是否可用的結果給clinet

client根據結果來刷新自己的路由表,確保下次請求發送到一個狀態最健康的節點上。

 

**WRAN 以上文章只是出自我的初步調研,若有疏漏,還請同好們多多指正**


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